TOP特許意匠商標
特許ウォッチ DM通知 Twitter
10個以上の画像は省略されています。
公開番号2020171194
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201015
出願番号2020116733
出願日20200706
発明の名称電力変換装置および空気調和機
出願人日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
代理人特許業務法人磯野国際特許商標事務所
主分類H02M 7/12 20060101AFI20200918BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】安価でありながら素子の破壊を防止できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】第1および第2スイッチング素子Q1,Q2を駆動するとともに、ブリッジ回路に流れる電流における過電流の有無を検出し、過電流を検出した場合に所定の電圧信号(0V)を出力する出力端子(Fault端子)を有する第1の駆動回路IC1と、第3および第4スイッチング素子Q3,Q4を駆動する第2の駆動回路IC2と、第1の駆動回路IC1の出力端子(Fault端子)と、第2の駆動回路IC2の入力端子LIN,HINとの間に接続され、電圧信号(0V)を入力端子LIN,HINに伝達する伝達素子D5,D6と、を設けた。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
第1スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子に直列に接続され前記第1スイッチング素子とともに第1レグを構成する第2スイッチング素子と、第3スイッチング素子と、前記第3スイッチング素子に直列に接続され前記第3スイッチング素子とともに第2レグを構成する第4スイッチング素子と、を有し、前記第1レグと前記第2レグとを並列接続したブリッジ回路と、
前記第1および第2スイッチング素子を駆動するとともに、前記ブリッジ回路に流れる電流における過電流の有無を検出し、前記過電流を検出した場合に所定の電圧信号を出力する出力端子を有する第1の駆動回路と、
前記第3および第4スイッチング素子を駆動する第2の駆動回路と、
前記第1の駆動回路の前記出力端子と、前記第2の駆動回路の入力端子との間に接続され、前記電圧信号を前記入力端子に伝達する伝達素子と、
を有することを特徴とする電力変換装置。
続きを表示(約 550 文字)【請求項2】
直流電圧を出力する電力変換装置と、
前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記交流電圧によって駆動されるモータを有する圧縮機と、室外熱交換器と、膨張弁と、室内熱交換器と、を有する冷媒回路と、
を有し、前記電力変換装置は、
第1スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子に直列に接続され前記第1スイッチング素子とともに第1レグを構成する第2スイッチング素子と、第3スイッチング素子と、前記第3スイッチング素子に直列に接続され前記第3スイッチング素子とともに第2レグを構成する第4スイッチング素子と、を有し、前記第1レグと前記第2レグとを並列接続したブリッジ回路と、
前記第1および第2スイッチング素子を駆動するとともに、前記ブリッジ回路に流れる電流における過電流の有無を検出し、前記過電流を検出した場合に所定の電圧信号を出力する出力端子を有する第1の駆動回路と、
前記第3および第4スイッチング素子を駆動する第2の駆動回路と、
前記第1の駆動回路の前記出力端子と、前記第2の駆動回路の入力端子との間に接続され、前記電圧信号を前記入力端子に伝達する伝達素子と、
を有することを特徴とする空気調和機。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置および空気調和機に関する。
続きを表示(約 7,700 文字)【背景技術】
【0002】
電車、自動車、空気調和機等には、交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置(直流電源装置、コンバータ)が搭載されている。そして、電力変換装置から出力される直流電圧をインバータによって所定周波数の交流電圧に変換し、この交流電圧をモータ等の負荷に印加するようになっている。このような電力変換装置において、高調波電流規制に準拠して高調波を抑制し、また、電力変換効率を高めて省エネルギ化を図ることが求められている。
例えば、下記特許文献1の要約書には、「コンバータ回路(2)のブリッジ回路(2a)の2つのダイオード(D1,D2)には、SiC素子を用いたMOS−FETのスイッチング素子(T1,T2)が並列接続されている。そして、スイッチング素子(T1,T2)に商用電源(5)の逆電圧が作用するタイミングで該スイッチング素子(T1,T2)がオンされる。これにより、確実に同期整流が行われる」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開2008−61412号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、特許文献1のようにダイオードによる整流回路ではなく、スイッチング素子を回路に含んだ回路構成においては、過電流や短絡電流による素子の破壊を確実に防ぐため保護制御を行うことが好ましい。しかし、保護制御を行うことはコストアップにつながる。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、安価でありながら素子の破壊を防止できる電力変換装置および空気調和機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
上記課題を解決するため本発明の電力変換装置は、第1スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子に直列に接続され前記第1スイッチング素子とともに第1レグを構成する第2スイッチング素子と、第3スイッチング素子と、前記第3スイッチング素子に直列に接続され前記第3スイッチング素子とともに第2レグを構成する第4スイッチング素子と、を有し、前記第1レグと前記第2レグとを並列接続したブリッジ回路と、前記第1および第2スイッチング素子を駆動するとともに、前記ブリッジ回路に流れる電流における過電流の有無を検出し、前記過電流を検出した場合に所定の電圧信号を出力する出力端子を有する第1の駆動回路と、前記第3および第4スイッチング素子を駆動する第2の駆動回路と、前記第1の駆動回路の前記出力端子と、前記第2の駆動回路の入力端子との間に接続され、前記電圧信号を前記入力端子に伝達する伝達素子と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0006】
本発明によれば、安価でありながら素子の破壊を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
本発明の第1実施形態による電力変換装置の全体ブロック図である。
電力変換装置の制御系統のブロック図である。
ダイオード整流制御における各部の波形図である。
回路電流の経路を示す図である。
回路電流の他の経路を示す図である。
同期整流制御における各部の波形図である。
スイッチング素子のドレイン逆電流と寄生ダイオードの飽和電圧との関係を示す図である。
部分スイッチング制御における各部の波形図である。
力率改善動作における回路電流の経路を示す図である。
部分スイッチング制御における各部の他の波形図である。
高速スイッチング制御における各部の他の波形図である。
高速スイッチング制御におけるオンデューティの説明図である。
高速スイッチング制御における交流電源電圧と回路電流との関係を示す図である。
高速スイッチング制御の動作説明図である。
同期整流制御における各部の他の波形図である。
同期整流制御における回路電流の経路を示す図である。
同期整流制御における回路電流の他の経路を示す図である。
力率改善動作における過電流検出時の各部の波形図である。
力率改善動作における過電流検出時の回路電流の経路を示す図である。
平滑コンデンサの短絡時における各部の波形図である。
比較例の平滑コンデンサの短絡時における回路電流の経路を示す図である。
第1実施形態の平滑コンデンサの短絡時における回路電流の経路を示す図である。
平滑コンデンサの短絡時における各部の他の波形図である。
部分スイッチング制御と高速スイッチング制御との動作説明図である。
本発明の第2実施形態における空気調和機の概略構成図である。
空気調和機の冷却系統図である。
第2実施形態における制御モードの説明図である。
第2実施形態における制御プログラムのフローチャートである。
一変形例における電力変換装置のブロック図である。
他の変形例における電力変換装置のブロック図である。
他の変形例における電力変換装置のブロック図である。
他の変形例における各部の波形図である。
他の変形例における電力変換装置のブロック図である。
他の変形例における制御モードの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0008】
[第1実施形態]
<電力変換装置の構成>
図1は、第1実施形態による電力変換装置1の全体ブロック図である。
電力変換装置1は、交流電源Gから印加される交流電源電圧Vsを直流電圧Vdに変換し、この直流電圧Vdを負荷H(インバータ、モータ等)に出力するコンバータである。電力変換装置1は、その入力側が交流電源Gに接続され、出力側が負荷Hに接続されている。
【0009】
図1に示すように、電力変換装置1は、ブリッジ回路10と、リアクトルL1と、平滑コンデンサC1と、電流検出部11と、交流電圧検出部12と、直流電圧検出部13と、負荷検出部14と、シャント抵抗器R1と、制御部15と、を備えている。
【0010】
ブリッジ回路10は、スイッチング素子Q1(第1スイッチング素子)と、スイッチング素子Q2(第2スイッチング素子)と、スイッチング素子Q3(第3スイッチング素子)と、スイッチング素子Q4(第4スイッチング素子)と、を備えている。
ブリッジ回路10は、その入力側が交流電源Gに接続され、出力側が負荷Hに接続されている。また、ブリッジ回路10のスイッチング素子Q1〜Q4は、図1に示すように、ブリッジ形に接続されている。
【0011】
スイッチング素子Q1〜Q4は、例えば、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)であり、制御部15によってオン/オフが制御される。なお、スイッチング素子Q1〜Q4としてMOSFETを用いることで、スイッチング損失を低減できるとともに、スイッチングを高速で行えるという利点がある。
また、スイッチング素子Q1は、その内部に寄生ダイオードD1を有している。寄生ダイオードD1は、スイッチング素子Q1のソースとドレインとの間に存在するpn接合の部分である。
【0012】
なお、スイッチング素子Q1の飽和電圧(オン状態におけるドレイン・ソース間電圧)は、寄生ダイオードD1の順方向の電圧降下よりも低いことが好ましい。これによって、寄生ダイオードD1に電流を流すよりも、スイッチング素子Q1のソース・ドレインに電流を流すほうが電圧降下は小さくなり、ひいては、導通損失を低減できるからである。換言すると、オフ状態のスイッチング素子Q1において寄生ダイオードD1に電流を流すよりも、オン状態のスイッチング素子Q1に電流を流すほうが導通損失は小さくなるようにしている。なお、他のスイッチング素子Q2〜Q4についても同様のことがいえる。
【0013】
本実施形態で使用しているスイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2の寄生ダイオードの逆回復時間(trr)は、スイッチング素子Q3とスイッチング素子Q4の寄生ダイオードの逆回復時間よりも相対的に小さい。これは、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2は後述する力率改善動作時に寄生ダイオードに逆回復電流が発生してしまうため、スイッチング素子Q1とQ2はスイッチング素子Q3とQ4に対して相対的に寄生ダイオードの逆回復時間の小さい素子を使用することでスイッチング損失を低減するためである。
【0014】
図1に示すように、ブリッジ回路10は、スイッチング素子Q1,Q2が直列接続されてなる第1レグJ1と、スイッチング素子Q3,Q4が直列接続されてなる第2レグJ2と、が並列接続された構成になっている。
第1レグJ1において、スイッチング素子Q1のソースと、スイッチング素子Q2のドレインと、が接続され、その接続点N1は、配線haを介して交流電源Gに接続されている。なお、配線haは、その一端が交流電源Gに接続され、他端が前述した接続点N1に接続されている。
【0015】
第2レグJ2において、スイッチング素子Q3のソースと、スイッチング素子Q4のドレインとが接続され、その接続点N2は、配線hbを介して交流電源Gに接続されている。なお、配線hbは、その一端が交流電源Gに接続され、他端が前述した接続点N2に接続されている。
【0016】
スイッチング素子Q1のドレインと、スイッチング素子Q3のドレインと、は互いに接続され、その接続点N3は、配線hcを介して負荷Hに接続されている。なお、配線hcは、その一端が負荷Hに接続され、他端が前述した接続点N3に接続されている。
スイッチング素子Q2のソースと、スイッチング素子Q4のソースと、は互いに接続され、その接続点N4は、配線hdを介して負荷Hに接続されている。なお、配線hdは、その一端がスイッチング素子Q2,Q4のソースに接続され、他端が負荷Hに接続されている。
【0017】
リアクトルL1は、交流電源Gから供給される電力をエネルギとして蓄え、このエネルギを放出することで昇圧や力率の改善を行うものである。リアクトルL1は、交流電源Gとブリッジ回路10とを接続する配線haに設けられている。
平滑コンデンサC1は、ブリッジ回路10から印加される電圧を平滑化して直流電圧にするものであり、配線hc,hdを介してブリッジ回路10の出力側に接続されている。また、平滑コンデンサC1は、その正極が配線hcを介してスイッチング素子Q1,Q3のドレインに接続され、負極が配線hdを介してスイッチング素子Q2,Q4のソースに接続されている。
【0018】
電流検出部11は、ブリッジ回路10に流れる電流を実効値(平均電流)として検出するものであり、配線hbに設けられている。電流検出部11として、例えば、カレントトランスを用いることができる。交流電圧検出部12は、交流電源Gから印加される交流電源電圧vs(瞬時値)を検出するものであり、配線ha,hbに接続されている。
直流電圧検出部13は、平滑コンデンサC1の直流電圧Vdを検出するものであり、その正側が配線hcに接続され、負側が配線hdに接続されている。なお、直流電圧検出部13の検出値は、負荷Hに印加される電圧値が所定の目標値に達しているか否かの判定に用いられる。
【0019】
負荷検出部14は、負荷Hに供給される電流すなわち負荷電流を検出するものであり、この負荷Hに設置されている。負荷検出部14として、例えば、シャント抵抗器を用いることができる。なお、負荷Hがモータである場合、負荷検出部14によってモータ電流を検出し、回転速度を推定するようにしてもよい。
シャント抵抗器R1は、配線hdを介して回路を流れる電流の瞬時値(瞬時電流)を検出するものであり、この配線hdに設けられている。
【0020】
制御部15は、例えば、マイコン(Microcomputer:図示せず)であり、ROM(Read Only Memory)に記憶されたプログラムを読み出してRAM(Random Access Memory)に展開し、CPU(Central Processing Unit)が各種処理を実行するようになっている。図1において制御部15の内部は、このプログラム等によって実現される機能を示している。
すなわち、図1に示すように、制御部15は、ゼロクロス判定部15aと、昇圧比制御部15bと、ゲイン制御部15cと、コンバータ制御部15d(電流センサ)と、を備えている。制御部15は、これらによってスイッチング素子Q1〜Q4のオン/オフを制御する機能を実現する。
【0021】
ゼロクロス判定部15aは、交流電圧検出部12の検出値に基づいて、交流電源電圧vsの正負が切り替わったか否か、すなわち、ゼロクロスタイミングに達したか否かを判定する。例えば、ゼロクロス判定部15aは、交流電源電圧vsが正の期間中にはコンバータ制御部15dに‘1’の信号を出力し、交流電源電圧vsが負の期間中にはコンバータ制御部15dに‘0’の信号を出力する。
昇圧比制御部15bは、電流検出部11の検出値に基づいて、直流電圧Vdの昇圧比を設定し、その昇圧比をゲイン制御部15cおよびコンバータ制御部15dに出力する機能を有している。
ゲイン制御部15cは、電流検出部11によって検出される回路電流isの実効値と、直流電圧Vdの昇圧比と、に基づいて、電流制御ゲインを設定する機能を有している。
【0022】
コンバータ制御部15dは、電流検出部11、直流電圧検出部13、シャント抵抗器R1、ゼロクロス判定部15a、昇圧比制御部15b、およびゲイン制御部15cから入力される情報に基づいて、スイッチング素子Q1〜Q4のオン/オフを制御する。なお、コンバータ制御部15dが実行する処理については後記する。
【0023】
図2は、第1実施形態に係る電力変換装置1の、制御系統等のブロック図である。なお、図1に示した要素は、図2においては適宜省略している。
Rg1〜Rg4はスイッチング素子Q1〜Q4のゲートに接続されているゲート回路である。具体的には、ゲート回路Rg1〜Rg4は、抵抗、コンデンサ、インダクタなどの受動素子やダイオード等の半導体で構成される。
【0024】
IC1,IC2はスイッチング素子Q1〜Q4を駆動するための駆動回路であり、内部に集積回路を有している。駆動回路IC1,IC2は、ハイサイドの素子を駆動するために内部にレベルシフト回路を有している。駆動回路IC1(第1の駆動回路)は内部に過電流保護回路を有しているが、駆動回路IC2(第2の駆動回路)には、過電流保護回路は省略されており、その分、駆動回路IC2を安価に構成することができる。
【0025】
VccはIC1とIC2の駆動電源電圧の接続端子である。HINはコンバータ制御部15dの出力ポートP1,P5に接続されており、コンバータ制御部15dから信号が入力されるとHO端子からハイサイドのスイッチング素子Q1、Q3を駆動するための駆動信号が出力される。同様にLINはコンバータ制御部15dの出力ポートP2,P6に接続されており、コンバータ制御部15dから信号が入力されるとLO端子からローサイドのスイッチング素子Q2、Q4を駆動するための駆動信号が出力される。
【0026】
駆動回路IC1,IC2のVs端子は、接続点N1、N2にそれぞれ接続されている。GND端子は平滑コンデンサC1の負極側の配線hd上の接続点N5に接続されている。ITrip端子はスイッチング素子Q2、Q4のドレインと同電位である接続点N6に接続されている。Fault端子は接続点N7を介してコンバータ制御部15dの入力ポートP4に接続されている。シャント抵抗器R1はコンバータ制御部15dの入力ポートP3に接続されている。
【0027】
ここで、駆動回路IC1の保護回路の動作について説明する。シャント抵抗器R1に電流が接続点N4からN5の向きに電流が流れた場合、IC1のGND端子を基準にITrip端子には電圧が発生する。このとき、シャント抵抗器R1に過電流が通流して、ITrip端子に発生する電圧が所定値を超えた場合、IC1内の駆動回路がHIN、LIN側からの入力信号を遮断することで、スイッチング素子Q1とQ2を強制的にオフさせる。それと同時に、Fault端子からコンバータ制御部15dのポートP4へ0Vを出力する。通常、この保護動作を行っていないときは、Fault端子からは電圧レベルVccの信号が出力され続けている。
【0028】
D5はダイオードであり、アノードはIC2のHIN端子に接続されており、カソードは接続点N7を介してIC1のFault端子とコンバータ制御部15dのポートP4に接続されている。D6もダイオードであり、アノードはIC2のLIN端子に接続されており、カソードはダイオードD5のカソードと接続されており、接続点N7を介してIC1のFault端子とコンバータ制御部15dのポートP4に接続されている。
【0029】
<電力変換装置の制御モード>
次に、負荷の大きさ(例えば、電流検出部11の検出値)に基づいて切り替えられる制御モードについて説明する。前述した制御モードには、「ダイオード整流制御」、「同期整流制御」、「部分スイッチング制御」、および「高速スイッチング制御」が含まれる。
【0030】
(1.ダイオード整流制御)
ダイオード整流制御は、4つの寄生ダイオードD1〜D4を用いて全波整流を行う制御モードである。ダイオード整流制御は、例えば、負荷の大きさが比較的小さいときに実行されるが、これに限定されるものではない。
(【0031】以降は省略されています)

この特許をJ-PlatPatで参照する

関連特許

日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
空気調和機
日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
空気調和装置
日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
漏洩検知装置
日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
ロータリ圧縮機
日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
スクロール圧縮機
日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
電動ロータリ圧縮機
日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
電力変換装置および空気調和機
日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
直流電源装置および空気調和機
日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
直流電源装置および空気調和機
日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
空気調和機用ユニット及び空気調和機
日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
電動圧縮機及びこれを用いた空気調和機
日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
空調制御システム、空調制御方法及びプログラム
日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
電力変換装置、及び、これを備える冷凍サイクル装置
日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
分配器、熱交換器、室内機、室外機および空気調和装置
日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
熱交換器用のヘッダ、熱交換器、室外機及び空気調和機
日立ジョンソンコントロールズ空調株式会社
空気調和システム、情報処理装置、情報処理方法及びプログラム
個人
発電装置
個人
電気機械のステータ
個人
電力増幅装置
個人
太陽光発電システム
個人
エネルギー変換素子
株式会社ニッセイ
端子箱
個人
磁力回転装置
日本電産株式会社
ステータ
日立金属株式会社
回転電機
個人
パルスモーター
株式会社明電舎
同期機
株式会社明電舎
回転子
オンキヨー株式会社
電子機器
個人
ケーブルの整理保持器具
個人
太陽光パネル東西多角配置
日本電産株式会社
モータ
株式会社リコー
電子機器
株式会社明電舎
回転電機
日本電産コパル株式会社
モータ
株式会社明電舎
回転電機
続きを見る